用于无线通讯风电场的多功能微处理器设计及开发

李堂国 曹春兰 曹禄春 潘岩

摘  要：为了采集风电场振动信号、视频信号及火灾消防报警信号等关键参数，设计开发了用于无线通讯网络的集成式微处理器及管理平台。该多功能微处理可通过RS485、RS232、USB等工业级通讯方式与风力发电机组的传感信号进行数据通讯，保证数据稳定传输;通过该平台可集中管理风电设备，提高运行人员维护设备的效率。

关键词：风电场;无线通讯;微处理器;平台

中图分类号：TP368.1 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）02-0088-03

Abstract： In order to collect the key parameters such as wind farm vibration signal， video signal and fire alarm signal， an integrated microprocessor and management platform for wireless communication network are designed and developed. The multifunctional microprocessor can communicate with the sensing signal of the wind turbine through RS485， RS232， USB and other industrial communication means to ensure stable data transmission; through this platform， the wind power equipment can be managed centrally and the efficiency of maintenance equipment can be improved.

Keywords： wind farm; wireless communication; microprocessor; platform

1 概述

传统风力发电机组的数据采集监控大多采用有线传输，但受地域限制，光纤维护成本较大。随著电厂信息化、智能化的快速发展，近年来已有风电场采用无线网络进行数据采集和监控，但数据传输稳定性有待进一步加强。针对某风电场自组无线网络，为了在采集振动信号情况下，同步增加视频监控系统，并集成消防信号系统等，实现多类信号数据的稳定传输，作者设计并研发可集成RS485、RS232等不同通讯接口协议的数据采集器，保证风电机组的安全运行。

2 数据采集技术研究现状

随着科学技术的发展，数据采集及处理设备从刚开始仅面向军事领域发展到如今军民共用领域。采集装置从各个方面进行了深入研究，如数据采集及格式转换速度，设备的稳定性以及存储器的存储速度等[1]。原先采用MOS工艺的A/D采集逐步发展为了CMOS积分型，同时将数据转换速度提高到了500Msps，分辨率提高到了24位。但仍然存在很多缺点，如增加了设备的功耗，同时存在输出的不确定性和离散性，导致该技术只能应用在分辨率要求不高的设备中[2-4]，对于数据存储设备，容量逐步扩大，由M级到G级以及T级别，在技术方面得到了质的发展，同时应用领域得到拓展，如在航天航海领域、工业领域、武器领域等等，常见的存储介质有SRAM、SDRAM和FLASH等[5-8]。对于数据采集装置，也由单片机逐步发展到了ARM、FPGA、DSP等，同时随着需求侧要求的功能的增加，数据采集装置的性能也得到了很大的提升，这一发展有效地提高了数据采集装置的可靠性，我国在数据采集方面的研究起步较晚，但部分方面也取得了较大进展，如中北大学研发的设备采集速率可达到数百MHz，设备的数据存储容量达到GB级别，该设备采用的系统构架，为的DSP、ARM、FPGA等多平台联合控制，大大提升了数据采集系统的性能及可靠性。相比我国，国外在该方面发展较早，如DT公司在图像的分析以及设备视角的方案解决方面具有很大优势，以及研发了基于PCIE总线的数据采集系统[9]。

目前工业技术取得了较大的发展，数据采集存储系统已经在日常生活中的各个领域开始应用，常见的应用领域有教育、医疗和交通。传统的数据采集系统的应用主要集中在并行及关系数据库方面，并以处理器为核心。但是缺乏对存储及数据量的分析。为提升数据的处理速度，有些设备采用并行方式，但该技术过于追求容错性及运行的一致性，无法保证该技术的可行性。为此为了解决该问题，引入了大数据的应用，可采用Map Reduce并行技术来提升数据处理速度，同时实现非结构化数据的处理。

3 多功能无线微处理器开发

3.1 微处理器功能需求

微处理器需要采集视频监测信号、振动监测信号、避雷检测信号和消防信号。同时，为了满足风场其它采集或控制系统的引入，需要预留网口、RS232和485接口。采编器将所有网口、串口采集到的数据通过无线网桥节点，传输到升压站，并接收来自升压站的相应控制指令。微处理器需处理的信号类型见表1。

综上所述，微处理器既要支持对多路网口数据的采集控制与数据转发功能，又要支持对多路串口的同时采集与控制功能，同时网口与串口之间也能实现相互通信。

3.2 微处理器设计方案

多功能无线微处理器主要由3大功能模块组成：电源模块、网络交换模块和串口转网口模块。电源模块以低纹波突发模式工作，可在低输出电流条件下保持高效率，并能在典型应用中将输出纹波抑制在15mV以下，结温高达125℃，非常适用于经受高环境温度的风机内应用。网络交换模块采用Marvell公司的88E6060芯片，集成6端口的快速以太网交换芯片，本处理器采用多片级联的方式实现14口100M网口的网络交换功能，并通过其中一片的MII接口连接到CPU中，实现CPU与其它网口设备的网络互连。串口转网口模块CPU采用ST（意法半导体）的一款ARM Cortex-M4芯片，用来将TCP/UDP数据包与RS232/RS485/RS422接口实现数据的透明传输。

3.3 软件设计方案

多功能微处理器实现数据的储存，以及不同数据格式的处理和转换，以便将数据传向指定的串行口，微处理器软件系统可同时与4路串行端口独立地实现通信，需采集的数据通过以太网传送至微处理器。微处理器若完成数据从以太网到串行口之间的传输，需要在软件对数据进行解包处理后，通过TCP/IP协议的数据帧的帧头信息，获得该数据包的发送目标串口，采集的数据通过串口设备发送至串口服务器，借此进行数据的处理、分析以及格式转换，完成后将数据传至以太网口。待数据整个打包完成后，通过以太网口传输出去，至此便完成了数据从串行口到以太网传输。

微处理器的操作系统采用具有丰富源码资源的ucosII，借助ARM cortex-M4，完成ucosII系统的移植和裁剪，同时对根文件系统进行完善，为应用层系统的研发提供平台，该平台具有较全面的TCP/IP协议栈。应用层系统借助ucosII系统完成接口、串口函数的调运，进而读取数据，通过socket接口将数据发往以太网口，系统平台接收socket端数据，并调取串口设备函数，将数据发往微处理器指定串口。

3.4 微处理器在风电场中的应用

风机内所有网口系统的数据，通过微处理器网口与无线网桥联通，实现与风场无线网络的互通互联。所有串口系统终端，通过串口线连接到微处理器对应的串口，经微处理器转换成网络数据后与风场的无线网络互通互联，利用网络实现数据的远程传输与远程监控功能，实时监控设备的运行状态。应用示意图见图2。

3.5 数据测试

数据上行测试指串口设备发送信息到采编器，通过与采编器相连的无线节点将数据从网口传输到风场的无线网络中。数据下行测试指升压站通过无线网给采编器发送网络数据，采编器接收网络数据帧并进行格式转换，同时判断发往指定的串口设备。测试结果表示，数据接收和发送没有出现丢失现象。

3.6 系统管理平台开发

风电场无线网络系统管理平台用于无线局域网络状态的远程监控，并实现对网络中特定IP设备的参数配置。通过该平台不仅能实时监测网络内的IP设备的网络连接情况，还可以对特殊需求的IP设备进行参数配置与集中管理，以方便用户在多设备、连接不稳定的无线局域网络环境下对IP设备进行管理。

平台集成了设备管理模块、日志管理模块、系统配置、设备配置及第三方软件调用等模块，各模块协调配合，共同实现对局域网络及网络中IP设备的监测与管理。

4 結束语

（1）针对风电场振动信号、视频信号及火灾消防报警信号等风场关键参数，开发了用于无线通讯网络的集成式微处理器。微处理器通过RS485、RS232、USB等工业级通讯方式与风力发电机组的传感信号进行数据通讯，将数据传送至微基站，能同时满足三路视频信号同时稳定传输。

（2）风电场无线网络系统管理平台用于无线局域网络设备的远程监控，实现对网络中特定IP设备的参数配置，并能直接调取风机监控画面。通过该平台能实时监测网络内的IP设备的网络连接情况，还可以对特殊需求的IP设备进行参数配置与集中管理，便于运行人员对风电设备进行维护，提高设备管理效率。

参考文献：

[1]崔丹.基于FPGA的数据采集系统[D].北京：北京邮电大学，2013.

[2]张坤.基于FPGA和STM32单片机超声波碎石系统的研究与设计[D].武汉：武汉科技大学，2014.

[3]唐玉蓉.基于FPGA的高速数据采集系统的设计与研究[D].北京：北京邮电大学，2012.

[4]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[5]张雯栋.存储测试系统的设计理论及其应用[M].北京：高等教育出版社，2002.

[6]汪志刚.大容量数据采集存储系统的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2010.

[7]窦振中.存储器技术的发展及趋势[J].电子计算机与外部设备，1997，36（3）：56-59.

[8]李开明.航天高密度大容量数据存储技术的发展[J].电子技术应用，2000，25（4）：72-74.

[9]张钰哲，张泉，杨杉.基于MPLSVPN的高可靠性数据通信网设计与实现[J].湖北电力，2016，40（4）：57-61.

[10]张晓龙，陈立平.基于MCU+FPGA的图像采集及路径提取系统[J].武汉理工大学学报，2014，36（5）：605-609.